埋地铁磁管道环焊缝非开挖定位技术研究

邓茂云，秦明旺，陈 浩

（西南石油大学 工程学院，四川 成都 610500）

1 背景

非接触式磁记忆检测技术能够在不接触检测管道的情况下，通过探棒探测管道的磁场强度分布情况，对这些磁场信号进行分析，识别出管道上的异常应力变化，既能对形成的宏观裂纹进行检测，又可发现管道内部的微观缺陷以及异常应力集中，探测管道的早期隐型损伤。尤其在近两年，非接触式金属磁记忆技术在埋地油气管道的缺陷检测、微裂纹检测上开展了较多应用，该技术优于其他无损检测技术的这种方便、准确、快捷的优势得以体现。但也正是因为这门技术的新颖性，目前缺乏对各种不同管道的磁记忆信号的研究，缺乏相关的经验规律，限制了该技术在工程实际中的广泛应用，因此有必要开展相关研究。

2 非接触式管道磁记忆检测技术原理

非接触式磁记忆检测方法所测量的是位于管道周围的磁场，进行现场测量时，检测仪器信号接收器需水平握持，仪器轴向垂直于管道走向，如图1所示。

图1 非接触式管道磁记忆检测示意图

根据铁磁材料的原始应力磁化模型计算出管道缺陷的磁化强度：

式（1）中：M为磁化强度，A/m；Hg为地磁场强度，A/m；μ0为真空磁导率，T·m/A；α，c 为与材料的性质有关的常数；Man为无磁滞的磁化强度，A/m。

测量得到的数据信号为磁感应强度的三个分量沿X方向的变化量为△Bx、△By、△Bz，经过公式推导，得到磁场的梯度模量：

埋地铁磁管道被地磁场磁化后产生一个磁场，这个磁场主要反映该处的应力变化，而管道各种应力变化主要由缺陷、焊缝引起，分析这些数据，就可以得到环焊缝的位置。

3 埋地铁磁管道焊缝定位检测试验

试验采用“非接触式管道磁记忆检测方法（ZL 201310020694.0）”检测仪器，根据俄罗斯联邦矿工业委员会颁布的《运用非接触式磁检测方法进行管道技术状况诊断指南》（PД 102），利用高精度三维磁场梯度测试系统确定管段的磁异常分布特征、综合应力水平，探寻环焊缝的位置。

3.1 检测步骤

利用LD8000 进行管线路由及埋深测绘、管线勘察与条件分析、管线正上方磁信号采集、基础资料收集和分析、磁信号数据分析与定位。

3.2 检测结果

根据检测结果显示，当dz处于波峰或者波谷时，另两条曲线的波动也比较大，由金属磁记忆检测的一般缺陷定性判断方法，在管道环焊缝位置，也符合磁信号曲线的切向分量有最大值，法向分量过其曲线波动的零值点且改变符号，较有力地证明了此位置即环焊缝的位置。

4 埋地管道环焊缝力磁效应仿真分析

4.1 建模与网格划分

根据管道焊接国标《焊接工艺规程》（GB/T 19866—2005）、《钢质管道焊接及验收》（GB/T 31032—2014），得到环焊缝的大小、形状数据，建立环焊缝模型。非接触磁记忆检测结果如图2所示。考虑环焊缝附近应力集中，对此处网格进行细分，如图3所示。

图2 非接触磁记忆检测结果曲线

图3 管道环焊缝几何实体模型

材料基本属性如表1所示。

表1 材料基本属性

4.2 加载及求解

埋地铁磁管道受到内部压力和外面土壤的压力，引起管道内部的变化。

将土体外表面以及管道端面定义约束，添加重力场，管道内部压力为4 MPa。在环焊缝处，焊材与管材不同，因焊接高温引起两材料内部结构的变化不同，环焊缝处就会产生应力集中现象。在内部压力的作用下环焊缝呈现由内而外应力逐渐减小，如图4所示。

内表面力最大，越往外，反而越小，根据铁磁试件磁畴 组织随应力变化的相关理论，猜测管道内部由于应力引起的磁畴组织变化，从而产生的磁场其在轴线方向上的分量会达到最大值。

管道与土壤接触面的应力分布云图如图5所示。

图4 环焊缝应力分布云图

图5 与土壤接触面应力云图

管道受到土壤的压力，其表面的压力在环焊缝处有明显的集中现象。靠近管道端部，应力最小。

5 检测结果与模拟结果对比分析

对比联合检测结果与数值模拟的结果，如图6所示。

图6 检测结果和应力分析结果对比

检测结果分析出环焊缝的位置，同应力分析结果，环焊缝处应力集中最大。

根据金属磁记忆检测原理，应力变化引起磁畴组织变化，在检测结果与数值分析结果都正确的基础上，说明非接 触式金属磁记忆检测技术可以用来进行埋地铁磁管道环焊 缝的定位，为埋地铁磁管道的检测奠定了试验基础。

通过磁场分析得到的结果与金属磁记忆检测一般缺陷判断原则，在应力集中位置切向分量有极大值，法向分量过0 值点，管道环焊缝的磁场信号符合判断准则。对比应力数值模拟结果和磁记忆检测的缺陷曲线显示图，符合磁畴组织变化，引起应力变化，最终产生磁场的相关理论，说明本次数值模拟结果准确。说明非接触式金属磁记忆检测技术可以用来进行埋地铁磁管道环焊缝的定位，为埋地铁磁管道的检测提供了依据。